L’area di Fisica della Materia è andata incontro negli ultimi anni ad un significativo rinnovamento dei laboratori e alla riorganizzazione delle attività di ricerca, coincisi con un’importante politica di reclutamento. Gli obiettivi scientifici del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa coprono le direzioni più attuali della ricerca sia fondamentale sia di alto valore tecnologico, sfruttando un approccio multidisciplinare fortemente integrato tra teoria ed esperimento, e basato sulle sinergie tra i vari gruppi e con gli enti di ricerca del territorio, in particolare CNR e INFN.
Le attività principali possono essere articolate in cinque linee generali, con forti interazioni e intersezioni trasversali:
- tecnologie quantistiche;
- plasmi;
- fotonica ed elettronica di frontiera;
- nanomateriali;
- soft-matter, biosistemi e complessità.
La scelta di queste direttrici si basa anche sulle competenze storicamente presenti nel Dipartimento, che vanta esperienze pluri-decennali nell’ambito dell’ottica (classica e quantistica) di sistemi atomici, molecolari e solidi, della fisica dei laser in tutte le loro declinazioni e dei plasmi, dello studio dei gas di atomi freddi in regimi quantistici, delle spettroscopie dielettriche e magnetiche applicate anche a materiali polimerici, delle microscopie atomiche e di campo prossimo.
Tecnologie quantistiche
Individuate a livello europeo e nazionale come la strada maestra per la prossima rivoluzione tecnologica, le tecnologie quantistiche vedono l’area di Fisica della Materia impegnata in importanti direzioni che comprendono: le metodologie di controllo, simulazione e manipolazione dell’informazione quantistica in sistemi coerenti sia atomici sia a stato solido; lo studio di sistemi per batterie quantistiche nonché dell’irreversibilità e dei fenomeni di invecchiamento nei cicli di carica e scarica; la teoria degli interferometri atomici e più in generale di fenomeni fondamentali e sistemi metrologici, la “gamification” di problemi quantistici, i sistemi hamiltoniani a basso rumore per sensori e orologi quantistici; lo sviluppo di standard elettrici riconfigurabili; l’indagine degli effetti del campo di vuoto su reazioni chimiche e trasporto di carica/energia.
Plasmi
La fisica dei plasmi studia il comportamento collettivo di sistemi di particelle cariche in cui le collisioni sono deboli o trascurabili. La principale direzione di ricerca riguarda la modellizzazione della dinamica non-lineare di plasmi tramite la comprensione di fenomeni fisici fondamentali (turbolenza, riconnessione magnetica, processi “dissipativi”, effetti cinetici) che sono cruciali nella descrizione dei plasmi spaziali, ma di quelli artificiali da laboratorio (fusione). Vengono inoltre studiate l’interazione dei plasmi con campi elettromagnetici di alta intensità, alcune applicazioni (acceleratori laser-plasma, motori al plasma), e le tecniche di fluorescenza per la caratterizzazione sperimentale.
Fotonica ed elettronica di frontiera
In questo settore abilitante per eccellenza del progresso scientifico-tecnologico recente, le ricerche sono finalizzate allo sviluppo di dispositivi innovativi (sorgenti, rivelatori, modulatori, etc.) operanti in regioni spettrali ancora non sfruttate (ad es. Terahertz e sub-mm a cavallo tra elettronica e fotonica), alla crescita e studio di cristalli per il raffreddamento laser e la realizzazione di sorgenti a stato solido anche per applicazioni metrologiche, all’implementazione di sensoristica opto-elettronica avanzata (sensori in fibra, giroscopi, sensori inerziali, etc.), allo studio di micro e nanosistemi optomeccanici classici e quantistici, allo sviluppo di dispositivi ottici/elettronici organici, flessibili o in sistemi disordinati, all’elettronica in materiali a bassa dimensionalità ed in sistemi ibridi mesoscopici.
Nanomateriali
La possibilità di progettare e realizzare materiali artificiali con controllo e precisione nanometrica su composizione e dimensioni, e quindi con proprietà e funzionalità altrimenti non ottenibili, apre enormi possibilità negli ambiti più disparati, dall’industria manifatturiera alla sostenibilità energetica e green economy, alla medicina. In questo ambito le ricerche qui condotte comprendono: nanomateriali termoelettrici e piezoelettrici (nanofibre) per l’estrazione di energia dall’ambiente; studio del grafene e di altri materiali 2D per l’ingegnerizzazione delle deformazioni e l’utilizzo come sensori di parametri fisico-chimici; nanocristalli laser, plasmonica e applicazioni delle microscopie di campo prossimo; metasuperfici e metamateriali ottici anche realizzati con tecniche di stampa 3D.
Soft-matter, biosistemi e complessità
Lo studio dei sistemi lontani dall’equilibrio, disordinati o che comunque richiedono una trattazione “collettiva” rappresenta uno degli ambiti più interdisciplinari e di ampio impatto della fisica recente. In questo ambito le ricerche condotte investono: la fisica di polimeri e hydrogel e applicazioni connesse (micro/nano-fluidica, invecchiamento dei materiali, etc.), la transizione vetrosa e i fenomeni di cristallizzazione; la dinamica di proteine ed altre molecole di interesse biologico e lo sviluppo/impiego di microscopia a superrisoluzione; sistemi e network caotici e/o non-lineari (reti neurali, network sociali ed economici, fisica del clima).
